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材料化学实验课程体系改革建设

2019/07/26 阅读:

关键词:实验课程;材料化学教学内容;教学模式

化学作为一门实验性科学,其主要任务是创造新物质、制备新材料。而上述任务的实现迫切需要高层次化学人才。在高层次化学人才的培养过程中,科学的教学课程体系的设置显得十分重要,而实验课程体系的建设是高层次人才培养的重中之重。实验课程、实验项目、实验教学,关系高层次人才培养的成败[1-3]。近年来,随着高等学校教学体系改革和学科交叉融合,使得材料化学实验作为独立课程纳入教学计划。材料化学实验是吉林大学化学学院材料化学专业的主要课程之一,开设在第4学年,是在完成化学基础课的教学任务之后的高年级课程,是衔接本科生教学与研究生教学的桥梁。材料化学实验包括材料的合成和对材料多种物理化学性质分析2个方面,教学内容非常丰富。由于材料化学实验同时涉及化学和物理2个学科,使得材料化学实验课程具有课程难度大、广度宽、层次深的特点,学生容易产生厌学情绪。因此,如何提高任课教师的学术水平,改革材料化学实验的教学体系,合理设置课程内容,紧跟材料化学前沿,提高学生学习兴趣,完成教学任务,是值得每位材料化学实验任课教师深思的问题[4-6]。

1改革目标与措施

1.1建立高效的教学管理制度

改革并完善教学管理制度,构筑以质量和贡献为导向的评价机制:以完成教学工作量的质量和贡献为判定标准的评价体系,建立并完善综合评价机制和退出机制。在执行吉林大学相关管理制度的基础上,根据材料化学实验课的自身特点,学院制定系列措施和管理办法,具体方案表现在以下几个方面:(1)建立并完善材料化学实验任课教师基本工作量要求,保证教学工作的有序建立以完成进行;(2)建立并完善综合评价机制,以完成教学工作量的质量和贡献为判定标准的评价体系,实行学生、督学和学院三级联动教学评价机制;(3)优化资源配置,鼓励竞争,建立退出机制,制定优秀教师奖励政策,实行备课组制,鼓励教学帮扶,全面提升教学管理水平,保障教学工作的高效进行。

1.2构建具有学科交叉特色的材料化学实验课程体系

材料化学是一门充满活力的新兴学科,是通过化学、物理及生物等多学科不断交叉、融合形成的,知识内容非常丰富,理论性强。在前期建设成果的基础上,整合并优化材料化学专业实验的结构设计,制定新的教学大纲,对教材进行多层次、多角度的立体化建设,不断优化更新教学内容,充分体现材料化学专业实验课的内涵,深化实践性、创新性教学环节改革,建设新的实验教学课程体系,增强对学生创新思想和创新能力的培养。调整不同类型材料化学实验的比重,减少验证性实验,增加综合设计实验的比例,主要内容表现在以下几个方面:

(1)材料化学专业实验是为大四材料化学专业本科生开设的一门必修实验课,其主要任务是使学生充分掌握典型材料合成的实验原理、合成技术、实验操作技能、材料的物理化学性质分析及所涉及的仪器的工作原理及相关分析结果的解析过程。在材料化学专业实验进行的过程中,深化学生已学过的四大化学基础知识,并为学生讲授与其相关的物理理论,在此基础上进一步提升创新思维和创新能力,使其养成良好的实验习惯,为研究生阶段的学习打下良好的基础。

(2)依托无机合成与制备化学国家重点实验室,整合材料化学专业实验内容,在保持实验数目不变的前提下,减少验证性实验的数目,增加跨越多学科的综合性实验,同时设立几个创新性实验。深入分析和总结材料化学专业实验开课以来的建设成果与经验。在此基础上,优化实验课程体系的结构,完善新的教学大纲,举例说明如下:①依托无机合成与制备化学国家重点实验室的X射线单晶衍射仪,开设2项关于晶体的合成及其结构分析的研究性实验(Mn12单分子磁体的合成,金属有机骨架材料MOF-5的合成与表征),在实验过程中,借鉴以往的教学经验,通过对实验的讲解,使学生不但能够掌握Mn12单分子磁体的合成和金属有机骨架材料MOF-5的合成,还可以充分复习到在无机化学中所学的关于Mn元素知识以及在物质结构课中所学到的空间群方面的知识。同时为了扩充学生的视野,在讲解的过程中,还增加了关于抗磁性材料、铁磁性材料、亚铁磁材料及反铁磁材料的分类及其物理本质方面的知识。此外,为了使学生深入了解晶体结构方面的知识,我们组织学生到吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室,为其讲解X射线单晶衍射仪的分析原理,现场为其演示晶体结构数据的收集过程,同时利用结构解析软件现场演示并讲解晶体结构的解析过程及多个结构示意图,使学生对复杂的晶体结构有了更为深入的理解。②依托无机合成与制备化学国家重点实验室的荧光光谱仪、紫外-可见光谱仪及光催化装置,开设了2项研究性实验:稀土发光材料的合成及其光谱性质研究,纳米二氧化钛光催化降解染料废液。通过对实验的讲解,使学生不但能够掌握氧化钇掺铕纳米结构的合成,还可以使学生回忆在无机化学中所学的稀土元素知识,深入理解f电子的特点及上转换材料和下转化材料发光的物理本质。同时为了扩大学生的视野,在光谱分析过程中,为其深入讲解稀土纳米结构中电偶极跃迁、磁偶极跃迁的选择定则及掺杂浓度变化对荧光强度影响的规律。通过纳米二氧化钛光催化降解染料废液实验,使学生不但掌握纳米二氧化钛的合成方法,还要充分理解二氧化钛光降解染料的物理原理,同时为了扩充学生的视野,在实验过程中,还为学生讲述关于二氧化钛研究方面的新进展,例如黑二氧化钛的制备过程及其能带结构变化的物理本质。③依托无机合成与制备化学国家重点实验室的圆二色光谱仪及振动圆二色光谱仪,开设了三乙二胺合钴配离子的旋光异构体的制备、离析及旋光度的测定的研究性实验。通过这个实验,不但使学生掌握三乙二胺合钴配离子的合成,还使其了解圆二色光谱仪及振动圆二色光谱仪的工作原理。同时,为了进一步扩展其知识体系,我们还为其介绍手性等离子体方面的研究进展,使其了解等离子共振的物理原理及手性等离子体结构在光学、生物传感及显示等方面的应用。④依托无机合成与制备化学国家重点实验室的SQUID-VSM磁性测量系统,开设了水溶性四氧化三铁纳米晶的制备及其表征的研究性实验。四氧化三铁纳米晶是反尖晶石结构,属于亚铁磁材料。大多数文献报道的四氧化三铁纳米晶都是疏水性,为使其变为水溶性,还要通过后续步骤。而我们开设的实验只需一步即可得到水溶性四氧化三铁纳米晶。通过这个实验,不但使学生掌握水溶性四氧化三铁纳米晶的合成,还使其了解SQUID-VSM磁性测量系统的工作原理。同时,为了进一步扩展其知识体系,我们还为其介绍海森堡交换原理及自发磁化的能带模型。利用扫描电子显微镜和透射电子显微镜深入分析四氧化三铁纳米晶的表面形貌和晶体结构内部信息。⑤依托无机合成与制备化学国家重点实验室的聚焦离子束装置,开设铝膜表面图案化设计创新性实验。众所周知,铝纳米结构在从紫外一直到近红外都具有等离子共振响应。但是,由于铝的化学活性较强,使得合成铝纳米结构一直是等离子共振研究领域的一大难点。聚焦离子束装置可以有效解决这一难题,因此我们计划在沉积一定厚度的铝膜后,利用无机合成与制备化学国家重点实验室的聚焦离子束装置在其表面制备不同的图案,详细研究其等离子共振特性。

(3)广泛开展调查研究,深入分析现有材料化学专业实验课程体系、教学模式存在的优点和弊端,剖析问题的本质及根源,总结经验,探索深化改革的方向,进一步提升教学质量。

1.3加强师资队伍建设

高水平的人才培养离不开先进的师资队伍。创造条件加强团队建设,实行备课组制度,鼓励以老带新,通过教学改革的推进、不断更新教学理念、钻研特色教学方法。同时组织课程团队成员定期研讨、试讲,并不断完善教学方案。采取引进与培养相结合的原则,依托国家留学基金委的项目支持,一方面鼓励年轻教师到国内外高水平的学术机构进修,同时吸引高水平教授主讲材料化学实验课程,提高教学团队的整体水平。每位任课教师要达到通过深入理解教学内容,精心安排材料化学专业实验的各章节。教师先全面讲解每个实验的背景、原理知识,之后安排学生自己设计实验并动手独立完成实验。在此过程中任课教师不但要不断纠正学生在实验过程中所犯的错误,还要为其分析错误的原因,启发思维,深入思考,激发学生的学习热情,使其理解并掌握本领域最新研究成果及前沿理论与方法,营造良好学术氛围[7-8]。

1.4培养学生的创新能力

材料化学实验是培养化学专业人才的系统知识结构、独立创新能力及较高专业素养的重要组成部分,也是材料化学其他课程的基础。材料化学专业实验在过去的9年间不断优化教学内容,在总结材料化学实验开课以来的经验、成果的基础上,通过钻研新的教学方法,全面介绍代表性材料的合成,深化学生对材料多种物理性质(力、热、光、电及磁)的分析能力,紧扣材料化学的发展前沿。依托无机合成与制备化学国家重点实验室,设立几个具有一定难度的创新性实验课题。通过引入一些关于前沿热点的创新性实验内容,扩展学生的视野,增加多学科交叉及创新性实验的设计,深化实验教学课程体系的改革。在实施个性化培养的同时,全面提升学生的操作技能、仪器原理、合成技术及分析方法等水平。建立特色鲜明的实验教学培养体系,使学生养成严谨的科学态度、良好的实验习惯和科学品德素养,打破思维定式及思维惯性,积极开发创新性思维,全面提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。多年的教学经验表明,材料化学专业实验是本科教学与研究生教学的桥梁,为材料化学专业学生攻读研究生奠定了良好的基础。表1详细给出了近5年吉林大学化学学院材料化学专业学生攻读研究生的情况,这表明材料化学专业实验能够使材料化学专业的学生能够迅速适应研究生的教学与科研,并激发其科研热情。

2结束语

实验教学是化学高等教育的重要环节,要遵循理论课程与实验课程衔接的逻辑关系,合理调整二者间的横向联系及纵向关系。同时,学生通过实验教学,在仔细观察,认真思考,夯实基础的同时,也培养了科研和创新能力。这个过程也养成了严谨的科学实验态度和周密细致的科研思考能力[9-10]。在协同创新的大背景下,大力加强化学、物理、电子等学科的交叉融合,紧跟学科前沿。以培养材料化学高层次人才为目标,转变教育理念,实现对学生因材施教,改革教材建设,对讲义部分内容实时更新,紧跟学术前沿。加强教学师资队伍建设,扩展任课教师的知识面,提升教师队伍的教学

参考文献

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[12]莫晓萍,王趁义,王凤玲,等.实验室科学,2011,14(2):52-53

作者:王宇颜 岩 李春光 孙福兴 梁志强 王晓峰 施展 单位:吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室

材料化学实验课程体系改革建设

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